这个问题问得太广了；我在这里不妨把问题收窄一点，谈谈天体物理学家是如何利用数值模拟技术研究宇宙演化的。

在当代，绝大多数的理论天体物理学家的工作都和数值模拟直接相关。

这是一个很有意思、并且非常值得科普的话题；在这篇回答中，我将略去不必要的技术细节，力求用通俗的语言，呈现出这个领域中宏观的图像、核心的问题、和一些有趣并令人印象深刻的物理理念。

1. 大象和老鼠的难题（图片来自网络）说到用计算机模拟宇宙，如果作一个非常谦虚的比喻的话，就像是模拟老鼠和大象。

如果我们打算把老鼠和大象放进计算机，会有如下几个难题：1.1 空间的尺度差异大象和老鼠的尺度差异巨大。

如果要把大象在计算机中“绘制”出来，我们需要的格点精度大概是分米就很好了。

然而，分米这一尺度对于老鼠来说，实在是太大了；如果要比较好地描述老鼠，我们需要的精度至少是厘米。

因此，我们在计算机中，需要以厘米的量级绘制格点，把大象和老鼠都囊括进来；这就需要大量的格点（因为大象的尺寸较之于厘米而言实在太大了）——或者说大量的计算机内存。

然而天体物理的尺度差异是真正的“天文”数字，其远远大于老鼠和大象的尺度差异。

因此，要在一个模拟中包括天体的所有尺度，需要的计算机内存也是天文数字；这是不可能做到的。

即使我们选取一个较小范围的局部进行模拟，空间的尺度差异也会给计算机内存带来巨大的压力。

有一些算法技术可以缓解这种压力，比如mesh refinement，其基本思想是在同一个模拟中的不同区域应用不同的格点精度，从而通过降低部分区域格点精度的方式减少计算机内存的使用。

这部分低分辨率的区域的选取标准是不包含太多精细结构，或者在研究意义上不那么重要。

图：白矮星并合体模拟中的自适应多精度三维网格。

我们更关心并合体的中心区域，该处的网格也更致密。

（版权：本文作者）（注：这里以及下文关于“格点”的论述，是基于grid-based simulations的。

对于另一类particle-based simulations，其虽然没有格点的概念，但主要的结论是相似的。

）1.2 时间的尺度差异模拟“演化”的过程，即模拟研究对象随时间的变化。

对于大象，它绕着花坛散散步，时间大概是以分钟为单位；而老鼠找食物，绕着盘子爬了一圈，只需要几秒钟。

因此，如果我们要让计算机精确描述大象和老鼠的运动，我们不得不迁就老鼠的速度，让每帧间隔的时间步长小于1秒——如果时间步长太大，下一帧中老鼠就“瞬移”到另一个地方了。

因此，由于老鼠的存在，我们需要更小的模拟步长；而模拟步长的缩短，意味着模拟总步数的增加。

计算机每运算一个步长的所需的计算时间是相同的，因此在模拟的时间尺度一定的情况下，步长越短，计算的耗时（wall clock time）就越长。

通俗地说，在模拟中计算机消耗了大量的计算时间，才刚刚让老鼠爬了一圈，可这时候大象一步还没有走完呢。

如果说空间尺度的差异尚且可以通过多精度网格提升计算效率，时间尺度的差异带来的挑战更加严峻。

在最理想的情况下，步长是由以下关系决定的：其中是格点尺寸，是该处流体存在的最大速度（一般情况下是流速和声速的组合），是一个常数，需要小于1从而保证模拟在数值上的稳定。

因为模拟中的时间步长是由所有区域中最短的步长、而不是由最长的步长决定的；而如果在某个区域我们使用了非常高的格点精度（非常小），其对应的步长会变得非常小，从而全局的步长也就非常小。

（注：这个公式即Courant–Friedrichs–Lewy (CFL)条件。

其物理意义是，在一个步长的时间内，信息的传播距离不能超过一个格点。

目前，也有一些不基于该条件的算法，但这些算法仍有一定的局限性。

）（又注：这是本文中唯一一个公式。

）因此，大象和老鼠带给我们两个难题：由于老鼠的存在，我们需要用很高的格点精度、和很短的时间步长模拟这个系统，而这需要大量的计算机内存和运算时间。

也许有人会提出这样的想法：如果我把大象和老鼠分开来模拟，问题不就解决了吗？对于大象，虽然要模拟的空间和时间尺度都很大，但我们可以应用粗糙的格点和较大的步长；对于老鼠，我们虽然不得不应用精细的格点和较小的步长，但老鼠的空间和时间尺度都很小。

这样，无论是哪种情况，计算机的内存使用和计算时间都不会很多。

这是一个很好的想法，它背后有着物理学中一个深刻的概念——scale free（自由尺度）：大象和老鼠体型虽然差距很大，但对于计算机而言，大象和老鼠本质上没什么区别；而只有当两者同时存在时，两者体型之比这一无量纲数，才决定了两者之间的差别（跳跃性地说，决定一个系统性质的是其中所有的独立的无量纲数）。

为了不使这篇回答过长，现在我们不妨跳过这个概念，把这一想法放在天体物理学的背景里转述一下，即：将大尺度和小尺度分开模拟，并且将大尺度的模拟结果用做小尺度模拟的初始和边界条件。

比如说，我们可以分开模拟星系形成和恒星形成。

在星系形成的模拟中，我们选取一小块区域，测量出比如气体密度等一些参数，然后把这些参数放进一个新的、更小尺度的恒星形成的模拟中。

但是，不幸的是/所幸的是，我们的宇宙远没有这样简单：我从小时候读的童话故事里就学习到，老鼠会钻进大象鼻子里，害得大象打了个喷嚏。

2. 反馈机制（feedback）当我们走进一个天体物理（非宇宙学）研讨会的会场，听到的频率最高的抽象名词，一定是feedback。

要理解什么是feedback，我们先极其粗略地把星系的形成分为两个阶段：第一阶段，早期宇宙中的暗物质在引力作用下坍缩，形成暗物质晕等结构；第二阶段，宇宙中的原初气体受到暗物质引力作用被吸进暗物质晕中，并被引力压缩至可激发核反应的密度和温度，从而形成恒星/星系/星系团。

图：数值模拟中的暗物质晕，气体将在暗物质晕中演化为星系。

如果这就是蓝图的全部，那么这张蓝图其实是相对比较简单的；其中涉及的主要物理过程，无非是大尺度上的引力作用，和小尺度上的流体力学过程、再加上一点核反应和化学过程。

如果要用计算机模拟宇宙的演化，我们可以把两个尺度分成两个模拟进行：一个模拟设定为大尺度，只考虑引力作用，模拟暗物质的坍缩（如N体模拟）——即仅仅模拟大象，另一个模拟取之前的模拟中的一小块做为初始/边界条件，模拟星体形成的细节——即仅仅模拟老鼠。

然而问题出现了：我们发现，模拟得到的恒星的数量，远多于宇宙中现有的恒星数量。

这一结果告诉我们，我们想象的蓝图太简单了；在我们的宇宙中，还有某种蓝图之外的机制，极强烈地排斥了气体过多地坍缩，从而减少了恒星形成的原料，抑制了恒星的形成。

譬如，在星系形成之后，强烈的喷流（outflow）在星系中生成并不断地向星系外抛射高温物质，高温带来的高压也进一步阻止了更多的气体落入星系中心。

而最近的观察证据也表明，在星系周围存在着大量的、未落入星系中心的多相（即各个区域具有不同的密度和温度）气体。

因此，天体物理中的一个核心问题，就是研究小尺度对大尺度的负反馈、从而降低理论上过高的恒星形成率的物理机制——这一负反馈，就是我们常说的feedback。

大尺度影响着小尺度，而小尺度也强烈地反作用于大尺度；恰似老鼠钻进大象鼻子，让大象打了个喷嚏。

比较典型的反馈有：活动星系核反馈（Active Galactic Nucleus feedback），星系中心的超大黑洞在吸积过程中释放出喷流及辐射；恒星形成反馈（star formation feedback）;超新星反馈（supernova feedback），大质量恒星以超新星爆发的形式终结，为星系注入大量的能量；宇宙射线反馈（cosmic ray feedback）；等等。

这些是从物理现象的角度举例的；如果从较微观的物理过程来看，能够影响大尺度的物理过程有磁场、湍流、流体不稳定性… 如果更加微观一点，我们还要考虑到非理想情况下的等离子体物理… 而以上的每一项，都是深不见底的研究课题，都有数不清的未解之谜。

图：磁流体数值模拟中，激波和湍流共同作用产生了星际介质中的磁场。

（版权：本文作者）因此，我们面临的情况是，小尺度上的物理过程是如此的重要，以至于在模拟大尺度的演化中，我们必须将小尺度的反馈考虑进来。

这就像如果只模拟大象而不模拟老鼠，我们将无法解释，大象好端端的为什么会突然打起喷嚏来。

然而，同时把大尺度和小尺度放进计算机，就会遇到在前面第一部分中的难题：时间和空间尺度的巨大差异，让计算时间和内存（以及复杂度）变成了天文数字。

（注：在数值模拟中，物理过程越多，对应的无量纲数也就越多，对模拟的时间和空间的要求也越苛刻。

譬如，如果模拟中有较强磁场，除了解磁流体方程的额外用时，磁场的扰动速度——即Alfvén速度——会被写入CFL条件，从而让模拟步长变得更小。

再比如，如果模拟中存在湍流，由于湍流的能量不断地从大尺度向小尺度耗散——一个典型的例子是大烟圈慢慢分裂成小烟圈，最后弥散在空气中——而解析这一耗散过程对模拟的精度提出了极高的要求。

）3. 解决方案如前所述，小尺度对大尺度的反馈为数值模拟带来了巨大的困难。

譬如，要在星系的模拟中加入超新星的反馈，原则上我们需要在模拟整个星系的同时，模拟星系中的一颗超新星的演化过程——毫不夸张地说，这相当于我们在观察地球上板块漂移的同时，还要关注地面上的一颗沙砾由于风化导致的表面微观结构的变化（我大概算了下，两种情况下的尺度之比都在10的12次方附近）。

不过，有一个方法或许可以帮我们绕过这看似不可逾越的困难：我们可以从理论上估算出星系中超新星的爆发频率，和每次爆发中产生的能量。

那么在星系模拟中，我们可以每隔一定的时间，把相应大小的能量人为地注入到模拟过程中，从而研究其反馈对星系的影响。

注意，这里我们并没有具体地模拟个体超新星爆发的过程，而是将其参数化，并加入到模拟中特定的时间空间点上。

就像我们在大象的模拟中没有包括老鼠，但我们估算出老鼠每隔多久钻一次大象鼻子，就让模拟中的大象每隔相同时间打一次喷嚏。

我们并没有具体地模拟反馈的产生，而是把发生于远小于格点精度的反馈，参数化地作用于大于格点精度的尺度上。

这种方法，被称为subgrid recipe（直译为“格点之下的烹饪指南”）。

那么相关的工作，一方面是研究基本的物理过程，提出更完善的subgrid“拼图”；另一方面，是尝试着把不同物理过程的“拼图”，拼成宇宙现在的样子。

总而言之，宇宙在最大的尺度上是相对简单且“优雅”的，其中主要的作用只有引力；而在较小尺度上，各种feedback开始产生作用并建立关联，物理图像也变得愈加复杂起来；而这一分界，大概是在星系团的尺度上。

所以在有关星系团的研讨会上，宇宙学家们希望星系团越简单越好（潜台词：别给优雅的宇宙学理论添乱），而天体物理学（非宇宙学）家们则希望星系团越有趣越好（潜台词：我就是要捣乱才开心）；于是两派友好地剑拔弩张起来。

图：宇宙学家：星系团越简单越好；天体物理学家：星系团越有趣越好

宇宙之大令人惊奇，它们在等着我们去探索 比如说，要介绍的十个令人难以置信的古怪存在， 流浪星星 想象一下，要是你飘浮在太空中独自一人寂寞无比，你会收到你所处的星系的大气层的吸引力，那你就是颗流浪的行星，流浪行星有点儿像没有港口的船，比如说宇宙中有数十亿的流浪行星，存在于银河系中，尽管有些科学家推断出他们中被称为褐矮星的那些，实际上相比行星更类似于恒星，这些无家可归的行星通常是漫无目的无害的，尽管来自路易斯安那大学的丹尼尔，惠特曼讲述了一个神秘的行星，它会引发地球上的一次生物灭绝事件，这个行星的名字就叫nibiru 格利泽581g星 回复到2010年，格利泽581G令天文学家们大吃一惊，相信他们找到了，与地球如此相似，可能适宜人类生活的行星，这颗行星围绕着自己的恒星运动，已经和地球有着大致相同的尺寸和温度，但还有些天文学家认为，这颗行星存在着一个极大的问题，那就是他实际上根本不存在，但是这颗行星还是出现在了宜居行星的名单上， 暗物质， 不可思议的是，即便是在今天，依靠我们现有的技术，约27%的宇宙物质还是根本无法观察到，，它就是宇宙的神秘物质，流行的理论认为暗物质是不能被观察到的，比如祝重子云，也没有发出光的物质，这就排除了任何恒星，和行星的形成，有研究表明，安物资可能包括，能量耗尽的恒星，以及一些黑洞， 磁星 太空中不仅充满了和平的流浪行星，还有潜在的可供居住的行星，也会有容易爆炸不稳定的，没有用任何预兆就爆炸的恒星，有的时候还会有磁星，磁星不由核聚变产生动力，这些独特的星星，不像他们闪闪发光的，“兄弟”他们有一个深不可及的磁场，雌雄比宇宙中的任何其他物体都强，据说他们是由，恒星的自旋和温度，和磁场组成的完美阵容，组合而成，当崩塌成一颗中子星时，他会对在大约630英里，的范围呢造成极大的威胁，截止2016年，只发现了29颗磁星， 黑洞 黑洞应该是地球人都知道的东西，但这并不意味着黑洞的概念就不神秘美国的好莱坞就经常使用它们进行时空穿越，从理论上看，没有什么人能从他的那个内部逃脱，连光也不可以这事压根不可能发生的情况，这些黑色的洞，只能从专门的望远镜观测到，通过观察强大的引力效应，目前还没有真正的黑洞照片，理论上来讲，黑洞通常是由一个巨大的恒星爆炸产生的，正是最恐怖的黑洞的未解之谜，才让她变成了神秘的存在，就目前来讲，还没有足够可以靠近地球的黑洞，我们的太阳不够大，无法形成一个黑洞， 黑寡妇脉冲星， 跟它的名字一样，就像是令人毛骨悚然的黑寡妇蜘蛛，黑寡妇脉冲星正是我们知道的那样他基本会吞食靠近它的任何东西，脉冲星是在超新星的形成过程中产生的，当脉冲星旋转时，他们发射无线电波x射线伽马射线，还有可见光， 创世之柱， 创世之柱就像神的手一样，哈勃望远镜拍出的创世之柱的照片，这些图片而拍到了星云上的，星际气体恒星，行星等，创世之柱距离地球七千光年，但是这张哈勃拍的照片，好像没有显示它的巨大，科学家表明创世之柱的三个手指，正在慢慢的分开，他们分开的时间还剩下300万年左右， 人马座b2 这是人马座b2它距离银河系有390光年，一个巨大的尘埃云，它是由大量的甲酸乙酯组成，这种特殊的化合物的气味就像是朗姆酒， 奇妙的星系吞噬， 两个星系合并成一个巨型星系，这种规模是很庞大的，，星系吞噬的概念只有当两个星系碰撞时才会发生作用，通常会形成一个不规则的星系，我们已知的星系相识的例子有，比如是双鼠星系，触角星系 kic8462852激光脉冲， 在通常的情况下，任何类型的亮度变化，都是与一个行星，存在有关的,事实上，它可以检测到一颗系外行星，恒星亮度下跌大约15%，比如一颗木星大小，相同的行星引起的1%的影响更大，该对象是巨大的，有些事，现在已经经过证实，因此留给我们的思考是一个难以置信，不同寻常的可能性，外星人真的存在